Span60在石墨烯潤滑油中分子行為及協(xié)同作用

張麗秀， 李嘉熹， 魏曉奕， 王俊海， 趙立博

(1.沈陽建筑大學(xué)分析與檢測(cè)技術(shù)研究中心， 沈陽 110168； 2.沈陽建筑大學(xué)高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室， 沈陽 110168； 3.沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 沈陽 110168； 4.沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110168)

減少機(jī)械摩擦磨損的常用方法有材料加工、改性表面及薄膜技術(shù)[1]，潤滑油潤滑隸屬薄膜技術(shù)，通過形成保護(hù)膜以防止摩擦面間的接觸摩擦，從而起到減少、降低摩擦磨損的作用。將潤滑油與納米材料相結(jié)合，制備具有減摩抗磨高效益的潤滑材料，是近年來潤滑領(lǐng)域的熱門話題[2- 4]。

具有優(yōu)異潤滑性能的石墨烯往往被作為添加劑使用在潤滑油中[5- 6]。但類六元環(huán)苯的結(jié)構(gòu)使得石墨烯表面呈現(xiàn)惰性，化學(xué)穩(wěn)定性很高，同時(shí)其片層間強(qiáng)烈的π-π作用、粒子尺寸較小而比表面積較大等特點(diǎn)，使石墨烯在油中極易團(tuán)聚發(fā)生沉淀，很難保持穩(wěn)定的分散[7-8]。使石墨烯在潤滑油中保持穩(wěn)定分散的主要方法有物理機(jī)制分散和化學(xué)機(jī)制分散，物理機(jī)制分散主要通過向溶劑中添加各類分散劑，使其通過π-π作用、靜電斥力、空間位阻等作用來有效提高石墨烯在溶劑中的分散穩(wěn)定性[9-10]；化學(xué)機(jī)制分散主要通過對(duì)石墨烯進(jìn)行改性操作來實(shí)現(xiàn)，然而改性過程使石墨烯共軛片層很大可能產(chǎn)生缺陷。胡陽等[11]通過實(shí)驗(yàn)研究了表面活性劑的插層作用機(jī)理，結(jié)果表明，在氧化石墨層間，陽離子表面活性劑的極性端可以通過靜電作用進(jìn)行插層，且比陰離子表面活性劑的插層效果更優(yōu)。王晨等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)分散劑若具有苯環(huán)、雙鍵、長疏水鏈段等結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)其對(duì)石墨烯的吸附能力，提高其分散效果，各類分散劑分子結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致產(chǎn)生作用效果的差異。

分子動(dòng)力學(xué)模擬(molecular dynamics simulation，MDS)可以從原子尺度實(shí)時(shí)觀察潤滑系統(tǒng)在剪切條件下的過程[13-17]。李義雅等[18]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了烴分子的結(jié)構(gòu)及溫度等變量影響潤滑的機(jī)理與效果，表明范德華能是決定基礎(chǔ)油分子能否形成穩(wěn)定的潤滑油膜的主要來源之一。胡成志等[19]對(duì)摩擦副間無納米粒子的基礎(chǔ)流體與納米流體兩種流體的摩擦特性通過分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)含有納米顆粒的流體所形成的潤滑膜有更強(qiáng)的承載能力。張麗秀等[20]采用分子動(dòng)力學(xué)研究了不同超聲條件下石墨烯潤滑油分子的運(yùn)動(dòng)軌跡，并揭示了其分散機(jī)理，發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)間和功率對(duì)石墨烯潤滑油的分散穩(wěn)定性影響較大。Nazari等[21]將模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)不同類型的表面活性劑性質(zhì)與作用機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面活性劑的性質(zhì)對(duì)石墨烯納米片在水介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性有較大影響，其中十二烷基三甲基溴化銨通過靜電斥力作用，使得石墨烯納米片獲得較高的分散穩(wěn)定性。

目前在含石墨烯的納米流體制備中常使用的分散劑包括有十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)等[22-23]，多為陰離子與陽離子型分散劑，具有毒性與揮發(fā)性，對(duì)環(huán)境污染較大，而非離子型分散劑span系列刺激性小、安全、無毒，其分散性能優(yōu)異且具有能夠滿足不同行業(yè)需求的各種特殊性能。母晶秋等[24]通過實(shí)驗(yàn)將不同的分散劑作用于石墨烯潤滑油中，對(duì)其不同的潤滑性能進(jìn)行了比對(duì)與分析，發(fā)現(xiàn)span60等分散劑對(duì)提高石墨烯的分散性有所助益，且分散劑種類、含量的不同對(duì)于石墨烯潤滑油的潤滑性能皆有較大影響。選擇span60作為分散劑，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，從微觀角度解釋分散劑在石墨烯潤滑油中的作用機(jī)理，找出其對(duì)潤滑油性能影響的條件與規(guī)律，對(duì)比分析span60/石墨烯不同的含量比、工作溫度、壓強(qiáng)以及速度條件下對(duì)Si3N4/GCr15摩擦副潤滑效果的影響。

1 添加分散劑span60的石墨烯潤滑油分子動(dòng)力學(xué)模型

1.1 分子模型的建立

為模擬陶瓷球軸承在潤滑油下的摩擦行為，模型中摩擦副的上下壁面分別選擇Si3N4和GCr15，運(yùn)用Materials Studio7.0分別建立石墨烯、潤滑油、分散劑span60、Si3N4、GCr15分子模型，圖1為span60對(duì)分散石墨烯片層作用示意圖，相關(guān)分子結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。運(yùn)用Amorphous Cell模塊將潤滑油分子與石墨烯、span60分子混合，建立span60/石墨烯潤滑油模型，運(yùn)用Build Layers工具建立Si3N4-span60/石墨烯潤滑油-GCr15層結(jié)構(gòu)。圖3為建立層結(jié)構(gòu)后的潤滑體系模型。

圖1 span60對(duì)分散石墨烯片層作用示意圖

圖2 模擬分子模型

T為溫度；P為壓強(qiáng)；v為剪切速度

1.2 勢(shì)函數(shù)

勢(shì)函數(shù)決定了物質(zhì)的性質(zhì)，流體分子內(nèi)部及流體與壁面間的勢(shì)能函數(shù)對(duì)模擬結(jié)果有著重要影響。計(jì)算所用力場(chǎng)為Universal，分子間作用為L-J/12-6勢(shì)能函數(shù)。

(1)

式(1)中：uLJ為系統(tǒng)的總勢(shì)能；εij為原子i、j間的能量特征值；σij為特征長度；rij為原子間距離。

潤滑油內(nèi)部相鄰的原子間包括有共價(jià)鍵的拉伸、彎曲及扭轉(zhuǎn)作用。對(duì)于共價(jià)鍵的拉伸，可表示為

(2)

式(2)中：us為彈性勢(shì)能；l0為兩原子間的參考鍵長；l為兩原子間的瞬間實(shí)際鍵長；ks為力常數(shù)。

對(duì)于鍵的彎曲，當(dāng)鍵角偏離參考值，分子能量就會(huì)發(fā)生改變，這種運(yùn)動(dòng)引起的分子勢(shì)能改變中用二次函數(shù)表示為

(3)

式(3)中：ub為鍵角彎曲勢(shì)能；θ0為參考鍵角；θ為平衡鍵角；kb為力常數(shù)。

扭曲運(yùn)動(dòng)是具有很低頻率的運(yùn)動(dòng)，二面角達(dá)到平衡狀態(tài)的速度很慢，對(duì)分子構(gòu)型具有決定作用，可表示為

(4)

式(4)中：ut為二面角扭曲勢(shì)能；ω為原子間二面角；Vt,n為扭曲勢(shì)能的位壘高度；δn為相因子；n為與二面角的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性相關(guān)的旋轉(zhuǎn)多重度。

1.3 模擬過程

模擬中采用Forcite模塊及Universal力場(chǎng)對(duì)模型進(jìn)行三部分計(jì)算。首先運(yùn)用Geometry Optimization進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，降低體系能量以便進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。然后進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，選擇恒溫恒壓(NPT)系綜對(duì)模擬條件進(jìn)行設(shè)定，對(duì)模型施加模擬初始溫度、載荷等條件。最后進(jìn)行非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬，即剪切運(yùn)動(dòng)計(jì)算，模型的上下摩擦壁面都被施加模擬所需的速度條件，使上下層摩擦副原子沿著水平x軸方向以設(shè)定的速度做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。圖4為仿真流程圖。

圖4 仿真流程圖

圖5為潤滑體系模型在限制剪切運(yùn)動(dòng)計(jì)算中的相互作用能變化。系統(tǒng)中計(jì)算的能量包括：體系的動(dòng)能、勢(shì)能、非鍵能和總能，所有能量最終在剪切過程中都達(dá)到了平衡狀態(tài)。

1 cal=4.186 8 J

模擬計(jì)算分析中，采用均方位移(mean square displacement,MSD)曲線評(píng)價(jià)添加span60對(duì)石墨烯在油中分散性的影響。仿真計(jì)算過程中，系統(tǒng)中全部的原子自初始位置開始不停移動(dòng)，每一時(shí)刻所在的位置皆不相同，MSD的計(jì)算公式為

(5)

式(5)中，xi(t)為當(dāng)時(shí)間為t時(shí)刻粒子運(yùn)動(dòng)的位置；x(0)粒子運(yùn)動(dòng)的初始位置。

如計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)粒子的均方位移，則需要對(duì)粒子數(shù)取平均值，根據(jù)擴(kuò)散定理有

(6)

式(6)中：D為系統(tǒng)中粒子的擴(kuò)散系數(shù)。

由式(6)可以看出均方位移與擴(kuò)散系數(shù)D成正比例的關(guān)系，由此表征系統(tǒng)粒子在運(yùn)動(dòng)中的擴(kuò)散能力。

潤滑油在Si3N4/GCr15表面形成吸附油膜的強(qiáng)度是影響其潤滑性能的關(guān)鍵，吸附膜強(qiáng)度一般依據(jù)吸附能大小進(jìn)行判斷，限制剪切運(yùn)動(dòng)后，潤滑油分子與摩擦副上下壁面之間的吸附能Eads可通過式(7)進(jìn)行計(jì)算。

Eads=Et-(Em-Es)

(7)

式(7)中：Et為剪切運(yùn)動(dòng)后模型整體總能量；Em為潤滑油能量；Es為上下壁面總能量。

2 結(jié)果與討論

2.1 span60對(duì)石墨烯在潤滑油中分散性影響分析

圖6為石墨烯在潤滑油中的均方位移曲線?？梢钥闯?，當(dāng)span60/石墨烯在潤滑油中含量比為7∶1時(shí)，其均方位移最大。根據(jù)式(6)可知，均方位移MSD與擴(kuò)散系數(shù)D成正比例關(guān)系，即均方位移越大，擴(kuò)散系數(shù)越大，相同時(shí)間內(nèi)石墨烯分子移動(dòng)距離越大，分散效果越好。因此，span60/石墨烯在潤滑油中質(zhì)量比為7∶1時(shí)，分散效果最優(yōu)，而純石墨烯潤滑油缺少分散劑的作用導(dǎo)致石墨烯分子的分散性較差，說明span60可以有效提高石墨烯在油中的分散性。

圖6 石墨烯在潤滑油中的均方位移曲線

圖7為體系中石墨烯分子的徑向分布函數(shù)?？梢钥闯觯瑂pan60的加入使石墨烯片層間距離增加，石墨烯分子周圍出現(xiàn)另一個(gè)石墨烯分子的幾率下降，在潤滑油中石墨烯分子的分散性逐步提高。

圖7 石墨烯分子的徑向分布函數(shù)

2.2 span60與石墨烯的協(xié)同作用分析

2.2.1 span60/石墨烯含量比的影響

研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯與分散劑在潤滑油中不同的含量比對(duì)潤滑油潤滑性能的影響較大[24]，適當(dāng)含量的分散劑可以更好的提升石墨烯潤滑油的分散穩(wěn)定性，從而使得潤滑油的潤滑性能有所提高。

設(shè)置分散劑span60與石墨烯質(zhì)量比分別為0∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1，建立span60/石墨烯潤滑油模型，進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)計(jì)算，設(shè)置速度為50 m/s，壓強(qiáng)為102 MPa。圖8為Si3N4-純石墨烯潤滑油-GCr15模型不同時(shí)刻下的剪切運(yùn)動(dòng)圖。圖9為含有不同質(zhì)量比的span60/石墨烯添加劑的Si3N4-潤滑油-GCr15模型同一時(shí)刻下的剪切運(yùn)動(dòng)圖。

圖8 Si3N4-純石墨烯潤滑油-GCr15潤滑體系隨時(shí)間變化情況

圖9 含有span60/石墨烯不同質(zhì)量比的Si3N4-潤滑油-GCr15剪切后構(gòu)型

吸附作用是不斷放熱的過程，吸附能為負(fù)值，分散劑的加入降低了潤滑油的界面張力，使界面的總勢(shì)能有所降低，其絕對(duì)值越大，吸附能越強(qiáng)，界面越穩(wěn)定，對(duì)形成界面越有利[25]。由于分子間存在作用力，油分子可以較穩(wěn)定的吸附在壁面上，形成一定厚度的潤滑油膜。不同含量比的span60/石墨烯添加劑的潤滑油體系剪切運(yùn)動(dòng)后的體系能量、壁面能量、潤滑油能量及吸附能如表1所示。由表1可知，當(dāng)span60/石墨烯添加質(zhì)量比為7∶1時(shí)吸附能絕對(duì)值最大，潤滑油在壁面上的吸附效果較好。隨著span60添加比例的增加，吸附能不增反減，說明分散劑濃度高于其自身的臨界膠束濃度，形成了膠團(tuán)，使得潤滑油的潤滑性能降低。

表1 不同質(zhì)量比下潤滑油與壁面間的吸附能

圖10為質(zhì)量比對(duì)剪切應(yīng)力的影響?？梢钥闯?，添加適量分散劑可使摩擦副的上下壁面與潤滑油間的剪切應(yīng)力減小，即摩擦力減小。剪切應(yīng)力隨著分散劑質(zhì)量比的增大，呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，摩擦力有先減小后增大的趨勢(shì)。

圖10 質(zhì)量比對(duì)剪切應(yīng)力的影響

在剪切運(yùn)動(dòng)中，潤滑油分子由于吸附作用，會(huì)有一部分吸附在Si3N4/GCr15壁面表面。這一部分油分子在壁面附近與上下壁面共同運(yùn)動(dòng)，保持相同的運(yùn)動(dòng)速度，因黏度作用油分子內(nèi)部速度也保持一致，出現(xiàn)類固性[26]，這部分油分子被稱為類固膜，類固膜厚度的不同，象征著潤滑油潤滑性能的不同。圖11為質(zhì)量比對(duì)剪切速度分布的影響，可以看出，潤滑油膜在剪切過程中出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，速度呈現(xiàn)出不連續(xù)的特征，但近上壁面的速度出現(xiàn)了一段近直線分布，表明油分子可以較穩(wěn)定的吸附在上壁面，且形成了較厚的吸附膜。對(duì)比可知，當(dāng)span60/石墨烯質(zhì)量比為7∶1時(shí)，類固膜厚度最大，且大于不含分散劑的純石墨烯潤滑油，石墨烯潤滑油的潤滑性能由于span60的作用有所提高，潤滑油與Si3N4/GCr15兩壁面間有了較大的吸附能、較小的摩擦力以及較厚的類固膜。

圖11 質(zhì)量比對(duì)剪切速度分布的影響

2.2.2 溫度的影響

潤滑油膜一般會(huì)隨著溫度升高失效，由此減弱潤滑油的潤滑效果。研究溫度對(duì)span60/石墨烯作為添加劑的潤滑油性能的影響至關(guān)重要。模擬時(shí)，設(shè)置剪切速度為50 m/s，壓強(qiáng)為102 MPa，模擬溫度分別為298、323、348、373、396 K。

表2為不同溫度下潤滑油與壁面間的吸附能。壁面總能量為609 094.9 kcal/mol。當(dāng)溫度為373 K時(shí)，潤滑油與上下壁面之間的吸附能絕對(duì)值最大，吸附能力最強(qiáng)，隨著溫度升高，吸附能呈逐步減小的趨勢(shì)。

表2 不同溫度下潤滑油與壁面間的吸附能

圖12為溫度對(duì)剪切應(yīng)力的影響。溫度為373 K時(shí)，剪切應(yīng)力最小，摩擦力最小，有利于潤滑油吸附在壁面上。span60既是分散劑，又是非離子表面活性劑，其具有非離子表面活性劑的所有特性。一般隨著溫度的升高，表面活性劑的臨界膠束濃度會(huì)呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)。溫度為348 K時(shí)，潤滑油吸附能小、剪切應(yīng)力大，此時(shí)span60達(dá)到了臨界膠束濃度，出現(xiàn)膠團(tuán)。隨著溫度繼續(xù)升高，臨界膠束濃度升高，膠團(tuán)減少，在溫度373 K時(shí)，潤滑效果優(yōu)良。span60的親水親油平衡值較低，濁點(diǎn)較低，溫度升高到一定程度時(shí)，span60在溶液中將從完全溶解轉(zhuǎn)為部分溶解。溫度繼續(xù)升高到396 K時(shí)，超過了span60在油溶液中的濁點(diǎn)，使span60不能完全溶解于油中，自身產(chǎn)生沉淀，潤滑性能降低。同時(shí)，潤滑油表面張力會(huì)隨溫度的升高而降低，使形成的潤滑膜張力不足，黏附強(qiáng)度變小，潤滑性能也隨之下降。

圖12 溫度對(duì)剪切應(yīng)力的影響

圖13為溫度對(duì)剪切速度分布的影響?？梢钥闯觯瑴囟葹?73 K時(shí)上壁面附近類固膜厚度最大，潤滑性能最好。396 K的類固膜較373 K的厚度小，是因?yàn)闇囟壬弋a(chǎn)生過大的分子黏度，減弱了分子間相互作用，使油膜厚度減小。

圖13 溫度對(duì)剪切速度分布的影響

2.2.3 壓強(qiáng)的影響

采用控制變量法，設(shè)置統(tǒng)一的剪切速度50 m/s、溫度298 K，模擬壓強(qiáng)分別為53、80、102、128、154 MPa。

表3為不同壓強(qiáng)下潤滑油與壁面間的吸附能。壁面總能量為609 094.9 kcal/mol，當(dāng)壓強(qiáng)為102 MPa時(shí)吸附能最大。隨著壓強(qiáng)增大，吸附能呈現(xiàn)出先降低再升高再降低的趨勢(shì)。

表3 不同壓強(qiáng)下潤滑油與壁面間的吸附能

圖14為壓強(qiáng)對(duì)剪切應(yīng)力的影響。當(dāng)壓強(qiáng)為102 MPa時(shí)剪切應(yīng)力最小，摩擦力最小。

圖14 壓強(qiáng)對(duì)剪切應(yīng)力的影響

圖15為壓強(qiáng)對(duì)剪切速度分布的影響。類固膜厚度往往與液體膜阻力存在聯(lián)系，膜厚過小會(huì)導(dǎo)致阻力較大，所以類固膜厚度越大，潤滑性能越好。當(dāng)壓強(qiáng)為102 MPa時(shí)，類固膜厚度最大，潤滑性能最好。

圖15 壓強(qiáng)對(duì)剪切速度分布的影響

2.2.4 剪切速度的影響

采用控制變量法，設(shè)置統(tǒng)一的壓強(qiáng)102 MPa、溫度298 K，設(shè)置剪切速度分別為25、39、50、66、79 m/s。

表4為不同速度下潤滑油與壁面間的吸附能。壁面總能量為574 428.2 kcal/mol。隨著速度增加，吸附能呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。

表4 不同速度下潤滑油與壁面間的吸附能

圖16為速度對(duì)剪切應(yīng)力的影響，隨著速度增大，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)速度大于50 m/s后，剪切應(yīng)力的增加值較大，說明過大的速度，會(huì)顯著增大潤滑體流動(dòng)阻力，造成較大的摩擦力。

圖16 速度對(duì)剪切應(yīng)力的影響

圖17為速度對(duì)剪切速度分布的影響?？梢钥闯?，當(dāng)速度為25 m/s時(shí)，吸附能最大、剪切應(yīng)力最小、類固膜厚度最大，潤滑油潤滑效果最佳。

圖17 速度對(duì)剪切速度分布的影響

2.3 實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所使用的材料有石墨烯粉體(中國青島德通納米科技有限公司生產(chǎn))、美孚DTE輕級(jí)-渦輪機(jī)/循環(huán)系統(tǒng)油(?？松梨谔旖蚴陀邢薰旧a(chǎn))、分散劑span60(上海麥克林生化有限公司生產(chǎn))。稱取100 g潤滑油和0.05 g石墨烯，通過磁力攪拌與超聲分散使石墨烯均勻分散在潤滑油中，得到純石墨烯潤滑油油樣；稱取0.35 g的span60，同樣方法制備span60/石墨烯潤滑油油樣。將兩瓶油樣靜置，觀察不同天數(shù)里油樣的沉淀情況，表征其分散穩(wěn)定性。采用Rtec多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)純石墨烯潤滑油與span60/石墨烯潤滑油的潤滑性能進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)中以Si3N4/GCr15作為摩擦副，設(shè)置相同的實(shí)驗(yàn)載荷、轉(zhuǎn)速，通過旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)。運(yùn)用超景深顯微鏡 (日本Keyence公司生產(chǎn))對(duì)實(shí)驗(yàn)后GCr15鋼片表面的磨痕寬度進(jìn)行觀察。

2.3.2 結(jié)果與討論

由圖18可知，未加分散劑span60的純石墨烯潤滑油在靜置3 d后完全沉淀，而質(zhì)量比為7∶1的span60/石墨烯潤滑油在靜置15 d后依然保持著較好的分散性，可見分散劑span60的加入可以有效改善石墨烯在潤滑油中的分散穩(wěn)定性。

圖18 span60/石墨烯潤滑油的分散穩(wěn)定性

圖19為不同含量下span60/石墨烯潤滑油摩擦系數(shù)曲線。可以看出，含有span60的石墨烯潤滑油摩擦系數(shù)較純石墨烯潤滑油小，且span60/石墨烯含量比為7∶1時(shí)的摩擦系數(shù)最小。因?yàn)閟pan60含有親油性的長鏈結(jié)構(gòu)和疏油的環(huán)氧基，其通過π-π作用吸附于石墨烯片上，利用空間位阻作用對(duì)石墨烯片層進(jìn)行非共價(jià)鍵修飾，得到更加穩(wěn)定的潤滑油膜，避免兩摩擦表面直接接觸。

圖19 不同質(zhì)量span60/石墨烯潤滑油摩擦系數(shù)曲線

圖20為加入span60前后的軸承鋼片表面磨痕形貌對(duì)比。從圖20(a)中可以看出，純石墨烯潤滑油潤滑下的磨損表面出現(xiàn)的磨痕寬度較大，且磨痕附近還存在著不規(guī)則的凹坑。而圖20(b)中的磨痕寬度較小，可見雖然石墨烯顆?？梢詫?duì)摩擦表面進(jìn)行填充，但在摩擦過程中石墨烯填充的表面依然會(huì)被破壞，而span60的加入，與石墨烯在潤滑油中產(chǎn)生協(xié)同作用，使油膜厚度增加，降低摩擦磨損，提高了石墨烯潤滑油的潤滑性能。

圖20 加入span60前后的軸承鋼片表面磨痕形貌對(duì)比

3 結(jié)論

(1)適量的分散劑span60的加入，使得石墨烯在潤滑油中的均方位移變大、潤滑油類固膜厚度變大、剪切應(yīng)力變小、吸附能變大，有效改善了石墨烯潤滑油的分散穩(wěn)定性與潤滑性能。

(2)溫度、速度與壓強(qiáng)，影響著添加span60后石墨烯潤滑油的潤滑性能，當(dāng)溫度、壓強(qiáng)、速度分別為373 K、102 MPa、25 m/s時(shí)，潤滑性能最好。

(3)span60與石墨烯在潤滑油中產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，兩者混合得到的潤滑油膜潤滑效果好于純石墨烯潤滑油。span60/石墨烯潤滑油在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的摩擦系數(shù)、磨痕寬度皆小于純石墨烯潤滑油，可見span60的加入確對(duì)改善石墨烯潤滑油性能有益。